1. Измерение микротвердости

Для изучения свойств и превращений в сплавах необходимо не только знать «усредненную» твердость – макротвердость HB, HRC, HRA, HRВ (рис. 5.2, а, б), представляющую твердость как результат суммарного влияния на нее присутствующих в сплаве фаз и структурных составляющих, но и определять микротвердость отдельных фаз и структурных составляющих сплава.

а б в

Рис. 5.2 Схемы испытания на твердость:

а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу (алмазная пирамида)

Микротвердость устанавливают вдавливанием алмазной пирамиды (рис. 5.2, в).

При измерении микротвердости согласно, ГОСТ 9450-76, чаще всего используют методы Виккерса (алмазный индентор с четырехгранной пирамидой и квадратным основанием) и Кнуппа (алмазный индентор с четырехгранной пирамидой и ромбическим основанием).

Для индентора Виккерса с четырехгранной пирамидой и квадратным основанием микротвердость рассчитывают по формуле:

H_h .

Для четырехгранной пирамиды с ромбическим основанием (по методу Кнуппа) число микротвердости (H_h) следует вычислять по формуле:

H_h ,

где P ‑ нормальная нагрузка, приложенная к алмазному наконечнику, H (кгс); S ‑ условная площадь боковой поверхности полученного отпечатка, мм²; d ‑ среднее арифметическое длины обеих диагоналей квадратного отпечатка, мкм; l ‑ размер отпечатка (длина большой диагонали), мкм;   ‑ углы разных заострений алмазных наконечников, градусы.

Четырехгранная алмазная пирамида индентора имеет угол между гранями при вершине 136°, т. е. такой же, как и в пирамиде для измерения макротвердости по Виккерсу, что облегчает пересчет на числа Виккерса и значения HB, HRC, HRA, HRB.

В случаях, когда необходимо измерить тонкие образцы, покрытия малой толщины, тонкие поверхностные слои используется индентор Кнуппа с четырехгранной пирамидой с ромбическим основанием и углом между гранями при вершине α = 172°, β = 130°.

Глубина отпечатка составляет:

h_ при измерении индентором с квадратным основанием;

h_ при измерении индентором с ромбическим основанием,

что и позволяет проводить измерения тонких образцов и структурных составляющих без искажения результатов.

Продуктивность работы на микротвердомерах за последнее десятилетие значительно выросла за счет их компьтеризации и исключения потерь времени на ручную наладку оборудования. В лабораторной работе изучается современный автоматизированный микротвердомер Duramin 5 (рис. 5.3), позволяющий переводить изображение автоматического измерения отпечатка на экран монитора (рис. 5.4) персонального компьютера.

Упрощенно устройство микротвердомера Duramin 5 можно представить следующим образом. Микротвердомер конструктивно имеет две составляющие: механическую, позволяющую изменять нагрузку и производить нагружение индентора в полностью автоматизированном режиме, и оптическую, работающую как металлографический микроскоп и обеспечивающую измерение параметров полученного отпечатка. Встроенный микропроцессор или подключенный к микротвердомеру ПК автоматически рассчитывает твердость и выводит изображение на экран.

Рис. 5.3 Микротвердомер Duramin 5 для измерения микротвердости

Рис. 5.4 Экран компьютера с отпечатком индентора, курсором – перекрестьем и меню управления замером микротвердости

Технические характеристики микротвердомера Duramin 5:

– испытательная нагрузка 10–2000 г;

– процесс нагружения – автоматический, контроль величины нагрузки и времени нагружения;

– длительность нагружения 5–999 сек;

– автоматизированная смена объективов, индентора и нагрузки;

– установка на поворотной турели 2 объективов и индентора;

– общее увеличение 100 и 500 крат;

– жидкокристаллический сенсорный дисплей с выводом на него результатов измерений

– контроль и обработка данных на персональном компьютере, автоматическое измерение отпечатка, возможность измерения глубины цементованного слоя, удобная база данных для хранения неограниченного количества измерений, распечатка результатов измерений на принтере;

– время на подготовку прибора к измерениям, включая фокусировку не более 3 минут;

– измерение отпечатка с разрешением 0,01 мкм;

– размер столика по X–Y 120 × 120 мм, ход 25 мм;

– разъем RS232C для подключения к ПК;

– габариты 430 × 590 × 520 мм;

– масса 55 кг.

Микротвердомер Duramin оборудован функцией вывода результатов испытаний на RS-232C порт для подключения к персональному компьютеру (ПК) и использования прилагаемого Программного обеспечения DVMS для управления твердомером, видео измерений с контролем и обработкой данных; в результате полученное изображение отпечатка микротвердости может быть увеличено в × 2–4 раза, измерено с большой точностью (изготовителем гарантируется разрешение 0,01 мкм) и сохранено.

Возможности применения нагрузки 2000 г и конвертации значений в показатели макротвердости и прочности позволяют провести оценку показателей механических свойств и прогнозировать эксплуатационные качества полученного композитного материала при малых размеров образцов.